塑性混凝土防滲墻材料配比設(shè)計和性能測試

程 澤

（新疆昌源水務(wù)科學(xué)研究院（有限公司），新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

塑性混凝土是一種利用膨潤土、粘土等材料部分代替水泥的一種大流動性混凝土，因水泥含量低，故具有低強(qiáng)度、低彈模、大應(yīng)變等特點(diǎn)，屬于一種柔性材料，可很好地適應(yīng)地基變形，且具有良好的不透水性，因此在水利防滲工程中被廣泛采用。以新疆塔橋?yàn)乘畮齑髩螢閷?shí)例，通過試驗(yàn)對塑性混凝土的水膠比進(jìn)行分析。

1 工程概況

塔橋?yàn)乘畮煳挥跒豸斈君R市米東區(qū)，該水庫系平原灌注式中型水庫。塔橋?yàn)乘畮齑髩稳L2.5 km，壩底寬40 m，壩頂均寬6 m，壩高14 m，為土石壩。水庫設(shè)計庫容1200×104m3，最大泄洪能力10m3/s，控制灌溉面積1.3萬畝，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積900畝，年捕撈量可達(dá)100 t，是一座綜合性水利工程。2018年5月，烏魯木齊市水務(wù)局對塔橋?yàn)乘畮齑髩芜M(jìn)行全面檢測，得到壩體中段約50 m長度滲漏量較大，總體達(dá)到了150 L/min。經(jīng)過多方討論，最終決定采用塑性混凝土防滲墻技術(shù)對塔橋?yàn)乘畮齑髩芜M(jìn)行徹底加固。

2 塑性混凝土最佳水膠比的確定

塑性混凝土主要材料包括水泥、砂、石、膨潤土、減水劑等，其各項指標(biāo)參數(shù)對防滲效果有直接影響，而水膠比則決定了混凝土性能。因此確定混凝土材料的最佳水膠比是首要任務(wù)[1]。

2.1 各材料的性能指標(biāo)

（1）水泥性能指標(biāo)

測試采用P.O52.5R標(biāo)號水泥，該水泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。經(jīng)測定：該水泥各類指標(biāo)均能達(dá)到相關(guān)要求，適合做塑性混凝土材料[2]。

表1 水泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

（2）骨料性能指標(biāo)

骨料分為粗骨料和細(xì)骨料，其中粗骨料為附近河灘砂卵石，粒徑要求5 mm～20 mm，在此不再詳述。細(xì)骨料采用河砂，塑性混凝土要求的細(xì)骨料規(guī)格及規(guī)格指標(biāo)見表2，篩分曲線見圖1。通過與標(biāo)準(zhǔn)值對比分析，測試所采用的細(xì)骨料河砂性能指標(biāo)滿足使用要求[3]。

表2 細(xì)骨料物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖1 細(xì)骨料篩分曲線同標(biāo)準(zhǔn)曲線對比

（3）膨潤土和減水劑性能指標(biāo)

測試所采用的膨潤土為鈣基膨潤土，pH值為9.0，含水率0.19%，比重1.11，經(jīng)檢測符合要求。減水劑可在一定程度維持混凝土坍塌度不變，減少用水量，改善混凝土的拌合性。項目所用減水劑為聚羧酸，一般合理摻量范圍在0.7%～1.0%，具體可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

2.2 不同水膠比的塑性混凝土力學(xué)性能測試

根據(jù)塑性混凝土的特點(diǎn)及結(jié)合本項目實(shí)際需要，選取7個技術(shù)參數(shù)（力學(xué)性能和變形性能）作為塑性混凝土水膠比的指導(dǎo)要求，見表3。

表3 塑性混凝土技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

（1）不同水膠比設(shè)計

根據(jù)測試要求的塑性混凝土指導(dǎo)參數(shù)，結(jié)合其他項目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計3個不同水膠比的實(shí)驗(yàn)組，分別為0.90、0.95、1.05。然后對試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)一定時間后（7 d和28 d）測定其各項技術(shù)指標(biāo)。具體配比設(shè)計見表4[4]。

表4 塑性混凝土不同水膠比配比數(shù)據(jù)

（2）不同水膠比塑性混凝土抗壓強(qiáng)度測試分析

試件均為圓柱體形狀，具體尺寸：直徑為100 mm，要求尺寸精度不大于10-3cm，角度偏差不超過±1°，以0.3 MPa/s速度均勻加壓，并記錄破壞時的載荷，然后利用式（1）[5]計算試件抗壓強(qiáng)度fcn，測試擬合曲線見圖2。

式中：P為試件破壞載荷，kN；A為試件承壓面積，mm2。

由圖2可知：①隨著水膠比增大，混凝土抗壓強(qiáng)度在逐漸下降，水膠比為1.05時，抗壓強(qiáng)度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值要求，因此排除；②28 d的強(qiáng)度大概是7 d強(qiáng)度的兩倍左右；③水泥用量越大，抗壓強(qiáng)度越大，但是也會降低混凝土柔性，在此推薦水膠比為0.95。

圖2 不同水膠比塑性混凝土抗壓強(qiáng)度擬合曲線

（3）不同水膠比彈性模量測試分析

塑性混凝土的彈性模量Ec利用式（2）計算：

式中：P1為應(yīng)力為0.5 MPa時載荷；P2為40%極限破壞載荷；L為測量變形標(biāo)準(zhǔn)距離，mm；ΔL為試件變形值。

去除誤差超過15%的測量值后將剩余數(shù)值取平均值。測量擬合曲線見圖3。由圖3可知：①隨著水膠比增大，混凝土彈性模量急劇下降，兩者擬合度超過0.89，說明水膠比是決定彈性模量的重要因素；②不同的水膠比下，各個彈性模量均小于標(biāo)準(zhǔn)值1500 MPa，滿足要求；③彈性模量低說明混凝土內(nèi)部孔隙多，不利于防滲性，因此推薦水膠比為0.95[6]。

圖3 不同水膠比塑性混凝土彈性模量擬合曲線

（4）不同水膠比防滲性測試分析

采用“穩(wěn)定滲流法”對試件抗?jié)B性進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。由圖4可知：①隨著水膠比增大，滲透系數(shù)也在增大，但均小于要求值1.0×10-7cm/s；②水膠比每增加一級，滲透系數(shù)增大50%以上，說明水膠比對滲透性有著決定影響。

圖4 不同水膠比塑性混凝土防滲性擬合曲線

通過試驗(yàn)對比及綜合分析，塑性混凝土水灰比為0.95時，其抗壓性、彈性模量、防滲性等指標(biāo)均處于合理范圍，因此確定0.95為本項目的最佳水灰比。

3 塑性混凝土抗溶蝕耐久性分析

由于防滲墻常年處于水環(huán)境中，且物質(zhì)成分復(fù)雜，因此抗溶蝕耐久性是評價塑性混凝土防滲墻質(zhì)量的另一個重要指標(biāo)，直接決定墻體的防滲效果及使用壽命。故使用試驗(yàn)手段對比分析水泥土和塑性混凝土的抗溶蝕耐久性[7]。

（1）試驗(yàn)設(shè)計

塑性混凝土防滲墻產(chǎn)生溶蝕破壞的原因：材料通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可溶于水的Ca（HCO3）2和CaSO4，因此試驗(yàn)測量一定水壓下試件的滲透系數(shù)及鈣化物溶出量。

設(shè)計水泥土水泥摻入比為18%，水灰比為0.5；塑性混凝土按照0.95水膠比進(jìn)行配比，均為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)30 d后取出試驗(yàn)，并定期對試件滲透系數(shù)、鈣化物（CaO）進(jìn)行測試。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析

①通過測量，水泥土和塑性混凝土試件前3 d的滲透系數(shù)接近，均超過10.0×10-7cm/s。但塑性混凝土在7 d后逐步下降至2.0×10-7cm/s，30 d后基本穩(wěn)定在1.0×10-7cm/s以下；而水泥土滲透系數(shù)比塑性混凝土下降的慢，最終均降到標(biāo)準(zhǔn)值以下。

②水泥土和塑性混凝土CaO累計溶蝕量曲線見圖5。由圖5可知：兩者的累計溶蝕量速度均為先快后慢；水泥土累計穩(wěn)定溶蝕量達(dá)到8000 mg，塑性混凝土約為3800 mg，相差2倍左右，塑性混凝土優(yōu)勢巨大，且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 試件CaO累計溶蝕量曲線

4 結(jié)語

塔橋?yàn)乘畮旖?jīng)除險加固后，大壩年滲流量直接下降了60%以上，降到了最低標(biāo)準(zhǔn)值以下，取得了很好的效果。塑性混凝土力學(xué)性能受多種因素控制，會因工程的水質(zhì)、地質(zhì)條件等不同而產(chǎn)生不同的效果，因此在使用時應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，不可盲目照搬其他相似工程，必須進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦囼?yàn)對比，確保工程質(zhì)量。